在智能手機(jī)、筆記本電腦、服務(wù)器，尤其是AI加速器芯片上，我們正在見證一個(gè)時(shí)代性的趨勢(shì)：計(jì)算力不斷攀升，芯片的熱也隨之“失控”。NVIDIA的Blackwell架構(gòu)GPU芯片，整卡TDP功耗超過1500W，而在消費(fèi)領(lǐng)域，旗艦顯卡RTX 5090也首次引入了液態(tài)金屬這一更高效但成本更高的熱界面材料（TIM）。

為什么芯片越來越熱？它的熱從哪里來？芯片內(nèi)部每一個(gè)晶體管在開關(guān)動(dòng)作時(shí)的能量損耗，匯聚成了最終“無處安放的熱量”。隨著晶體管數(shù)量的飛漲和面積不斷壓縮，我們正面臨著一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的持續(xù)抬升：熱流密度（Heat Flux Density）。

雖然摩爾定律正在放緩，但芯片集成度卻并未因此降低，尤其在臺(tái)積電CoWoS、英特爾Foveros等先進(jìn)封裝技術(shù)的推動(dòng)下，多芯粒堆疊和超高帶寬互連正推動(dòng)芯片走向前所未有的“熱集中”時(shí)代。

那么，熱是怎么產(chǎn)生的？過去這些年晶體管密度和熱流密度如何變化？先進(jìn)制程和封裝是否會(huì)讓芯片更熱？這一期，我們來系統(tǒng)聊一聊。

01

熱從哪里來？晶體管為什么發(fā)熱

芯片之所以會(huì)發(fā)熱，根源在于其內(nèi)部成千上億個(gè)晶體管在不斷地“開”和“關(guān)”。在這個(gè)過程中，一部分電能不可避免地轉(zhuǎn)化成熱能。一個(gè)芯片中可能包含數(shù)十億、甚至超過一萬億個(gè)晶體管。下圖是當(dāng)前常用的FinFET晶體管的結(jié)構(gòu)，FinFET全稱Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種新的互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體晶體管。1999年，胡正明教授及其團(tuán)隊(duì)成員成功制造出第一個(gè)p型FinFET，它的柵長度只有18nm，溝道寬度15nm，鰭的高度50nm。這些萬億晶體管被集成在芯片里每天“開關(guān)自如”，運(yùn)行著從搜索推薦到AI訓(xùn)練的復(fù)雜任務(wù)。

但每當(dāng)晶體管切換狀態(tài)時(shí)，它就消耗能量并釋放熱量。這個(gè)過程中主要涉及兩個(gè)方面的功耗來源：

（1）動(dòng)態(tài)功耗：當(dāng)晶體管從關(guān)閉狀態(tài)切換到打開狀態(tài)，或從打開切換到關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部的電荷重新分布或復(fù)合，產(chǎn)生能量損耗，并以熱的形式釋放出來。這種過程稱為動(dòng)態(tài)功耗，是芯片運(yùn)行時(shí)最主要的熱量來源。它可以近似表示為：它可以被近似地表示為：P = α · C · V2 · f；其中：α 是活動(dòng)因子（代表多少晶體管在同時(shí)工作）；C 是負(fù)載電容；V 是電壓；f 是頻率?？梢钥吹?，電壓越高、頻率越高，芯片的動(dòng)態(tài)發(fā)熱就越嚴(yán)重。這也是為何芯片“超頻”時(shí)溫度急劇上升。

（2）靜態(tài)功耗：即使不工作也會(huì)漏電。即便晶體管處于“靜止?fàn)顟B(tài)”，也仍有微弱電流泄漏，形成所謂的“靜態(tài)功耗”，其來源包括：亞閾值漏電流（Subthreshold leakage）、閂鎖電流（Gate leakage）、PN結(jié)反向偏置漏電（Junction leakage）。隨著晶體管尺寸不斷縮小，漏電流顯著增加，成為芯片發(fā)熱的“隱性殺手”。這也是當(dāng)前制程演進(jìn)中越來越難壓低功耗的原因之一。

電能在晶體管工作中損耗后，大部分以熱能的形式散發(fā)。這種能量轉(zhuǎn)換不可逆，最終導(dǎo)致芯片溫度升高。也就是說，不論是開關(guān)還是靜止?fàn)顟B(tài)，晶體管都會(huì)發(fā)熱，只是程度不同。

02

晶體管密度提升，熱流密度同步飆升

1965年，英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾提出了經(jīng)典的摩爾定律， “每18個(gè)月性能提升一倍，價(jià)格降低一半”。過去幾十年間，摩爾定律推動(dòng)芯片性能飛速發(fā)展，這背后依賴的是制造工藝的不斷進(jìn)步，使晶體管的尺寸越來越小、密度越來越高。但隨之而來的，是一個(gè)不可忽視的問題——熱流密度的快速上升。

早期節(jié)點(diǎn)（比如130nm、90nm）時(shí)，晶體管密度和功耗提升是相對(duì)線性的，但進(jìn)入65nm之后，漏電流的急劇上升讓靜態(tài)功耗成為了大問題。雖然工藝不斷推進(jìn)，但功耗墻（Power Wall）逐漸顯現(xiàn)。

圖3. 晶體管發(fā)展歷史（圖源：桔里貓）

與此同時(shí)，為了追求性能，芯片主頻也不斷升高——這意味著單位時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)功耗暴增。而晶體管越密、芯片面積增長受限，結(jié)果就是：單位面積上的熱功耗密度不斷上升，熱管理難度迅速加劇。

這里我們要明確兩個(gè)概念：功耗（Power）：整個(gè)芯片的總能耗，單位是瓦（W）；熱流密度（Power Density）：?jiǎn)挝幻娣e上的功耗，單位是W/cm2或W/mm2。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：一塊100W的CPU，面積為2cm2，則熱流密度為50 W/cm2。

特別在7nm及之后，即使主頻不再大幅提升，但密度和功耗依舊在上漲，熱流密度成為設(shè)計(jì)瓶頸。如A100/A800 TDP是400W，芯片熱流密度 50W/cm2；H100/H800 TDP是700W，熱流密度87.5W/cm2，當(dāng)下芯片熱流密度已經(jīng)遠(yuǎn)超風(fēng)冷極限。

圖4. Intel晶體管發(fā)展計(jì)劃

早在20年前，英特爾前CTO和CEO帕特·蓋爾辛格就放話說，如果芯片耗能和散熱的問題得不到解決，當(dāng)芯片上集成了2億個(gè)晶體管時(shí)，就會(huì)熱得像“核反應(yīng)堆”，2010年時(shí)會(huì)達(dá)到火箭發(fā)射時(shí)高溫氣體噴射的水平，而到2015 年就會(huì)與太陽的表面一樣熱。

英偉達(dá)的B200芯片則達(dá)到了2080億晶體管，功耗高達(dá)1000W+。如果按單位面積換算，芯片的熱流密度早已超過核反應(yīng)堆冷卻板、鋼鐵冶煉爐，逼近火箭噴嘴。

03

GAA與先進(jìn)封裝：熱流密度會(huì)再度飆升嗎？

3.1從FinFET到GAA，熱管理走入“精細(xì)博弈”

摩爾定律放緩后，熱流密度會(huì)下降嗎？在摩爾定律不斷逼近物理極限的背景下，晶體管結(jié)構(gòu)也在經(jīng)歷代際更替。FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）已經(jīng)在10年內(nèi)主導(dǎo)了芯片工藝的主流。但從2025年臺(tái)積電N2、Intel18A以及三星SF2最新的產(chǎn)品架構(gòu)看，幾家頭部大廠都開始轉(zhuǎn)型GAA（全環(huán)繞柵極）晶體管。

圖6. 從平面晶體管到FinFET再到GAA晶體管的轉(zhuǎn)變（圖源：Lam Research）

GAA的優(yōu)勢(shì)在于能更有效地控制漏電流、提升開關(guān)性能，是功耗控制的一大利器。但這項(xiàng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新也帶來了新的熱挑戰(zhàn)：

GAA晶體管單元結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、更精密，單位體積內(nèi)的功耗密度更高；

多根納米片堆疊形成通道，柵極完全包覆，熱擴(kuò)散路徑更短、更局限；

晶體管柵長進(jìn)一步縮小，亞閾值泄漏和量子穿隧效應(yīng)成為主要發(fā)熱來源。

總結(jié)：GAA讓“每一個(gè)晶體管”都更高效了，但也更熱了。

3.2 先進(jìn)封裝：熱不再是“平均值”，而是“熱點(diǎn)集中”與GAA晶體管技術(shù)幾乎同步推進(jìn)的，還有近年來蓬勃發(fā)展的先進(jìn)封裝技術(shù)。臺(tái)積電的CoWoS、英特爾的Foveros、三星的I-Cube，都試圖將多個(gè)芯粒（chiplets）以2.5D或3D方式進(jìn)行堆疊、集成，提升帶寬、降低延遲。但熱管理難度也隨之翻倍：

熱點(diǎn)集中：AI芯片、HPC芯片往往在中間集成一顆大算力芯粒，形成局部極端高溫區(qū)域；

熱路徑增長：上下堆疊的芯片彼此遮擋，芯片底部的熱量更難傳導(dǎo)到外部；

材料不匹配：封裝中的TIM（熱界面材料）、載板、芯粒之間存在熱膨脹系數(shù)差異，導(dǎo)致界面熱阻增大。

在B200這類AI芯片中，一顆核心芯粒+多顆HBM堆疊組成的“熱島”，不僅考驗(yàn)散熱能力，也正在倒逼產(chǎn)業(yè)鏈重新設(shè)計(jì)整個(gè)熱結(jié)構(gòu)。

進(jìn)入先進(jìn)封裝時(shí)代后多個(gè)高功耗芯片裸片被集成到同一封裝基板上，在空間不變的情況下，熱源集中度進(jìn)一步提高，熱流密度陡增。如果在先進(jìn)封裝中，熱源面積被進(jìn)一步“壓縮”。這意味著傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式可能無法滿足需求，必須引入液冷、熱管、3D冷卻、甚至微射流等更激進(jìn)的熱管理方案。臺(tái)積電已經(jīng)開始在晶圓上嘗試微射流的液冷方案，感興趣的同學(xué)可以看上一期的文章。

AI芯片熱到極限？CoWoS封裝里藏著怎樣的“散熱”難題

04

結(jié)語與討論：熱管理，正在變成芯片設(shè)計(jì)的“第一門檻”？

曾經(jīng)熱設(shè)計(jì)是最后一公里的工程問題。而今天，在GAA+3D封裝加持下的先進(jìn)芯片，熱設(shè)計(jì)已然走到產(chǎn)品開發(fā)的最前沿。

很多人以為，摩爾定律趨緩、頻率不再提升，芯片的熱密度問題應(yīng)該會(huì)“緩一緩”。但事實(shí)上，進(jìn)入3D異構(gòu)集成時(shí)代后，熱問題從“全局?jǐn)U散”轉(zhuǎn)向“局部災(zāi)難”：

提問：面對(duì)GAA與先進(jìn)封裝的雙重推進(jìn)，下一代熱管理材料和冷卻技術(shù)該如何跟上？歡迎大家在評(píng)論區(qū)分享你的看法同時(shí)留下你感興趣的話題？

參考資料[1] 芯片熱量如何產(chǎn)生的？，大米的老爹；[2] 芯片功耗是否都轉(zhuǎn)換為熱量，百科；[3] 一文了解晶體管發(fā)展歷程，半導(dǎo)體全解；[4] FinFET交棒GAA？關(guān)于GAA制程技術(shù)必須知道的事，EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)；

[4]半導(dǎo)體制程從180nm到14nm技術(shù)演進(jìn)總結(jié)，半導(dǎo)體小馬；